DISEÑO DE UNA COLUMNA DE ABSORCION El proceso de absorción implica una difusión molecular turbulenta o un transferencia de masa del soluto A a través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo. El presente trabajo se trata sobre el diseño de una torre de absorción, los parámetros más importantes y los elementos de selección tales como el tipo de columna, el tipo de relleno, la distribución del relleno, también se presenta las ecuaciones del cálculo de altura de la torre dependiendo si el elemento de transferencia va de un gas a liquido o lo contrario de una liquido a gas. Elementos de selección diseño de la columna de absorción Columnas de platos Para las columnas de absorción existen dos tipos las columnas de platos y las columnas de relleno. Columnas de platos: Las columnas de platos utilizadas para producir el contacto líquidogas se pueden clasificar de acuerdo con el tipo de flujo en sus dispositivos internos de contacto: 1. Platos con flujo cruzado. La mayoría de los platos de flujo cruzado utilizan perforaciones para la dispersión del gas en el líquido. Estas perforaciones pueden ser simples orificios circulares, o pueden disponer de “Válvulas móviles” que configuran orificios variables de forma no circular.
Estos platos perforados se denominan platos de malla o platos de válvula. En los primeros, debe evitarse que el líquido fluya a través de las perforaciones aprovechando para ello la acción del gas; cuando el flujo de gas es lento, es posible que parte o todo el líquido drene a través de las perforaciones y se salte porciones importantes de la zona de contacto. El plato de válvula está diseñado para minimizar este drenaje, o goteo, ya que la válvula tiende a cerrarse a medida que el flujo de gas se hace más lento, por lo que el área total del orificio varía para mantener el balance depresión dinámica a través del plato. 2. Platos con flujo en contracorriente. En estos, el líquido y el gas fluyen a través de las mismas aberturas. Por ello, no disponen de bajantes. Las aberturas suelen ser simples perforaciones circulares de diámetro comprendido de entre 3 y 13mm o hendiduras largas de anchura entre 6 y 13mm (1/4 a 1/2 pulgadas). El material del plato puede plegarse o “corrugarse” para separar parcialmente los flujos de gas y líquido. En general, el gas y el
líquido fluyen en forma pulsante, alternándose en el paso a través de cada abertura. Columnas de relleno En las columnas de relleno la operación de transferencia de masa se lleva acabo de manera continua. La función principal del relleno consiste en aumentar la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia. A medida que aumenta aumenta el tamaño tamaño del del relleno disminuye disminuye la eficiencia de de la transferencia transferencia de de materia y aumenta la pérdida de carga.
Tipos de relleno: a) Montura berl b) Montura intalox c) Anillo raschig d) Anillo pall Anillos Raschig Son cilindros huecos, cuyo diámetro va de 6 a 100mm o más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhídrico; de carbón que es útil, excepto en atmósferas altamente oxidantes; de metales o de plásticos. Montura de Berl e Intalox Son empaques con forma de silla de montar, y sus variaciones se pueden conseguir en tamaños de 6 a 75 mm; se fabrican de porcelanas químicas o plásticos. Anillos pall El anillo Pall, es un cilindro con paredes ranuradas y lenguas o costillas internas, siendo el diámetro y la altura del anillo iguales. Los anillos son fabricados en Polipropileno (PP) y una gran variedad de metales, Los anillos Pall tienen la forma aproximada de los anillos Raschig, excepto que las paredes han sido abiertas y se han adicionado superficies interiores y deflectores. Estos cambios eliminan los defectos que en los anillos Raschig impiden performances satisfactorias, en el relleno de columnas de gran diámetro. Características de distintos tipos de empaque * Químicamente inertes frente los fluidos de la torre. * Resistente mecánicamente sin tener peso excesivo. * Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención de líquidos o caídas de presión. * Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas. * Unidades de relleno huecas, que garantizan la porosidad del lecho y el paso de los fluidos. Distribución de relleno La distribución de relleno en una torre se puede llevar a cabo de las siguientes maneras: 1. al azar: tamaño < 3in (< 1in se usan comúnmente en el laboratorio o planta piloto). 2. ordenados entre 2 y 8 in. También se puede seleccionar en base al diámetro de la columna tal como se muestra a
continuación: TAMAÑO RECOMENDADO DEL EMPAQUE | Diámetro de la columna | Tamaño | ˂ 0.3m | ˂ 25mm | 0.3m – 0.9m | 25mm – 39mm | ˃ 0.9m | 50mm – 75mm |
Datos son conocidos normalmente en el proceso * Condiciones de operación de la columna P y T. * Composición de las corrientes de entrada. * Composición del gas a la salida. * Circulación en contracorriente. PLANTA DE PRODUCCION DE ACETALDEHIDO: ABSORBEDOR AB-201 Para un correcto diseño de una columna de absorción o de destilación se tienen que seguir los siguientes pasos: * Especificar el grado de separación requerido: especificaciones del producto. * Seleccionar las condiciones de operación de la columna: continua o discontinua y presión de operación. * Seleccionar el tipo de contacto entre fases: platos o relleno. * Determinar el número de etapas de equilibrio y de reflujo requeridos. * Dimensionar la columna: diámetro y número real de etapas. * Diseño interno de la columna: platos, distribuidores y tipo de soporte. * Diseño mecánico de la columna: tipo de recipiente así como alimentaciones de la columna. Diseño Funcional: La columna de absorción (AB-201) está diseñada para absorber el acetaldehído gaseoso de la corriente de proceso (16), con agua recirculada de la corriente (21). El objetivo de la columna es conseguir absorber el acetaldehído gas, en la fase liquida de la columna así como recircular los excesos de reactivos gaseosos (etileno y oxígeno) de la corriente de proceso (16) al reactor. Estos valores para el diseño de una columna de absorción se han obtenido en base a la necesidad de recircular los reactivos en exceso al reactor, y la cantidad de acetaldehído a absorber. Mediante un proceso iterativo se probaron diferentes condiciones de operación y caudales de agua recirculada hasta alcanzar la solución óptima. Los parámetros fijados después de encontrar la solución óptima se resumen en la siguiente tabla: Parámetros necesarios para la absorción de acetaldehído Caudal de agua de lavado (kg/h) | 99759,10 | Caudal de gas de salida (kg/h) | 16238,21 | Caudal del líquido de salida(kg/h) | 109866,59 | El caudal de agua de lavado se ha fijado para absorber el máximo de acetaldehído
posible y el caudal de gas de salida se fija en base a la cantidad de etileno y oxígeno a recircular al reactor, que debe ser de 10191,67 kg/h de etileno y 5807,5 kg/h de oxígeno. Finalmente, el caudal de líquido de salida queda fijado por el agua necesaria para llevar a cabo el proceso de absorción y la cantidad de acetaldehído que debe ser absorbido. En la siguiente figura se muestra la pantalla principal del programa Hysys donde se fijan las corrientes de entrada y salida así como la presión y temperatura de la columna para su simulación. Para diseñar la altura, el diámetro de la columna; así como el tipo de columna y características principales Número de etapas | 8 | Tipo de columna | Relleno | Etapa entrada alimento | 8 | Etapa entrada agua | 1 | Tipo de relleno | Pall Rings (plástico) | Tamaño relleno (in) | 3.5 | Correlación de relleno | Robbins | Número estimado de piezas de relleno | 17712 | HETP (m) | 0.61 | Altura de la columna (m) | 4.91 | Diámetro de la columna (m) | 1.98 | Porcentaje de inundación % | 58.59 | Presión de trabajo (bar) | 1.01 | Temperatura de trabajo (ºC) | 20-50 | Diseño Mecánico: Para el diseño mecánico de la columna se ha seleccionado acero inoxidable AISI-316, caracterizado por sus excelentes propiedades anticorrosivas. Se diseñará la columna considerando una geometría cilíndrica con fondo y cubierta esféricos. Primero, se fija la temperatura de diseño considerando la temperatura de operación la más elevada de la columna que corresponde a 50 ºC. Td = Top + 20°C = 50 + 20 = 70°C A continuación, se fija la presión de diseño definida como: Pd = Pop + 1bar La presión de operación de la columna es de 1 atm de modo que la presión de diseño será: Pd = 1.01325bar+ 1bar = 2.01325bar 1. Diseño del espesor de la carcasa cilíndrica de la columna de destilación El espesor de la carcasa para el caso de cilindros a presión interna se calcula mediante la siguiente expresión: t=Pd×RS×E+0.4×Pd+C1 Donde: t es el grosor de la carcasa (mm) E es el factor de soldadura que corresponde a un radiografiado parcial (0,85)
Pd es la presión de diseño (0,02 N/mm2) S es el esfuerzo máximo del material a la temperatura de diseño (165 N/mm2) R es el radio del cilindro (990,5 mm) C1 es el grosor por corrosión (2 mm) Es recomendable aplicar un factor de incremento por fabricación a este grueso, definido como C1 =2 mm. De este modo, se obtiene un espesor final de 2,14 mm. Normalizando, se considera un espesor de 3mm, valor existente en el mercado. Espesores mínimos para recipientes cilíndricos Diámetro del recipiente(m) | Espesor mínimo(mm) | 1|5| De 1.0 a 2.0 | 7 | De 2.0 a 2.5 | 9 | De 2.5 a 3.0 | 10 | De 3.0 a 3.5 | 12 | Una vez calculado el grosor necesario, se observa que éste es menor , que el espesor mínimo correspondiente , a un recipiente cilíndrico con un diámetro superior a 1 metro y menor a 2 metros (caso de la columna de absorción AB-401), por lo tanto, tendremos que aplicar un espesor de 7 mm. 2. Grueso del fondo y cabeza esférico decimal t=Pd×R2×S×E+0.8×Pd+C1 Donde: t es el grosor del fondo esférico (mm) E es el factor de soldadura que corresponde a un radiografiado doble (0,85) Pd es la presión de diseño (0,02 N/mm2) S es el esfuerzo máximo del material a la temperatura de diseño (165 N/mm2) R es el radio del cilindro (990,5 mm) C1 es el grosor por corrosión (2 mm) Aplicando el incremento por fabricación definido en el apartado anterior, se obtiene un espesor final de 2,07 mm. Este grosor es menor que el espesor mínimo correspondiente a un recipiente cilíndrico con un diámetro superior a 1 metro e inferior a 2 metros (caso de la columna de absorción AB-401), por lo tanto, tendremos que aplicar un espesor de 7 mm. 3. Aislamiento térmico Debido a que la temperatura superficial de la pared de la columna puede alcanzar hasta 70°C es necesario poner un aislamiento. El volumen de aislante requerido se muestra a continuación: Vaislante =X×S Donde: X es el espesor (m) S es la superficie externa de la columna (m2). La superficie externa de la columna se calcula con la siguiente expresión: S=π×Dext×H+(π16)×Dext2 S=π×1.995×4.911+(π16)×1.9952=31.56m2
Así, el volumen de aislante requerido es de 0,32 m3.
4. Peso del equipo vacío Para saber el peso de la columna (AB-401) primero se debe calcular el peso del equipo vacio. Así que, a continuación se calculará el peso del equipo vacío teniendo en cuenta que el material utilizado es acero AISI 316. Peso de la carcasa: Pcarcasa=π4×(D+2×t2 -D2)×H×ρ Donde, D es el diámetro interno de la columna (m) t es el grosor de la pared del equipo (m) H es la altura del cilindro del equipo (m) ρ es la densidad del material (AISI 316) (kg/m3)
Así obtenemos: Pcarcasa=π4×(1.981+2×0.0072 -1.9812)×4.911×8000=1717.6Kg
Peso del cabezal y el fondo esférico: Pesferico=π12×(D+2×t2 -D2)×ρ Pesferico=π12×(1.981+2×0.0072 -1.9812)×8000=347.65Kg Pcabezal y fondo=2×Pesferico=695.3Kg Peso del aislante: Conociendo la densidad aproximada de la Manta spintex 342-G-125, el peso del aislante se calcula a partir de la siguiente expresión: Paislante=Vaislante×ρaislante
Paislante=0.32×125=40Kg Peso de la columna vacía: Pcolumna vacia=Pcarcasa+Pcabezal y fondo+Paislante Pcolumna vacia=1717.6+695.3+40=2452.9Kg 5. Peso del equipo lleno de agua Para conocer el peso del equipo lleno de agua se deben sumar el peso total del equipo vacio y el peso del equipo lleno de agua. Para saber la cantidad de agua que puede albergar el equipo se deben calcular el volumen del cilindro, del cabezal esférico y del fondo esférico. Volumen del cilindro: Vcilindro=π4×(Din)2×H Vcilindro=π4×(1.981)2×4.911=15.13m3
Volumen del cabezal y del fondo esférico: Vesferico=π12×(Din)3 Vesferico=π12×(1.981)3=2.035m3
Una vez calculados los volúmenes de las partes de la columna, se obtiene el volumen total: Vtotal=Vcilindro+Vcabezal +Vfondo Vtotal=15.13+2.035+2.035=19.2m3 Ahora, ya se puede calcular el peso del equipo lleno de agua: Pequipo lleno de agua=Pequipo vacio+Vequipo ×ρagua
Pequipo lleno de agua=2452.9kg+19.2m3×1000Kgm3=21652.9kg
http://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/model%20matematic_2.3.html
